שיטה חישובית לכמת פעילות היממה לעוף
Summary
שיטה לכמת את התכונות העיקריות טמפורלית ראיתי במקצבים גינקולוגיות היממה לטוס מוצג. כימות מושגת על ידי התאמת הפעילות לטוס עם צורת גל מודל רב פרמטרית. הפרמטרים דגם מתארים את הצורה ואת הגודל של הבוקר ושל פסגות ערב של פעילות יומית.
Abstract
רוב בעלי חיים וצמחים, שעונים היממה שננהל את התנהגותי ותהליכי מולקולרית, לסנכרן עם מחזור יומי בהירה-כהה. מנגנוני היסוד העומדים בבסיס פקד זמני זה נלמדים נרחב באמצעות זבוב הפירות דרוזופילה melanogaster כאורגניזם מודל. בזבובים, השעון הוא למד בדרך כלל על ידי ניתוח מארגנות הקלטה גינקולוגיות. הקלטה כזו מציג תבנית דו-אופנית מורכבים עם שתי הפסגות של פעילות: לשיא בבוקר זה קורה בזריחה, של שיא הערב שקורה סביבנו חשכה. אלה שתי הפסגות יוצרים יחד waveform זה שונה מאוד תנודות sinusoidal נצפתה בגנים שעון, שיש מנגנונים בנוסף השעון אפקטים עמוקה בהפקת הדפוסים שנצפו בנתונים התנהגותית. כאן אנו מספקים הוראות באמצעות שיטה חישובית שפותחו לאחרונה המתארת באופן מתמטי דפוסי טמפורלית בפעילות לעוף. השיטה מתאימה נתוני פעילות עם צורת גל דגם המורכב ארבעה תנאים מעריכית, תשעה פרמטרים עצמאיים המתארים באופן מלא את הצורה ואת הגודל של הבוקר ושל פסגות ערב של פעילות. הפרמטרים המחולצים יכול לעזור להבהיר את המנגנונים קינטי של סובסטרטים העומדים בבסיס את דפוסי הפעילות דו-אופנית בדרך כלל התצפיות במקצבים גינקולוגיות לעוף.
Introduction
השעון היממה הוא מתנד הביוכימי אנדוגני עם תקופה של-24 שעות, נמצא כמעט בכל מקום בבעלי חיים וצמחים1,2. השעון מסייעת סינכרון של אורגניזם תהליכים פנימיים והתנהגות למעגל כהה אור חיצוני. המבנה הגנטי של שעון היממה נחקרה נרחב מאז שנות ה-60 באמצעות זבוב הפירות, melanogaster ד. זה חרק, הליבה של שעון היממה מורכבת ארבעה חלבונים: התקופה, ב”חסר זמן, שעון, מחזור. רכיבים בסיסיים אלו יחד עם מולקולות אחרות בצורת לולאת משוב שמייצר תנודות כמעט sinusoidal של השעון גנים3,4. השעון היממה בזבובים נרחב נלמדת באמצעות הקלטות גינקולוגיות מארגנות לאן לטוס פעילות מזוהה עם קרן אינפרא אדום יחידה חוצה אמצע שפופרת בודדים5. זבוב טיפוסי הקלטה יש תבנית דו-אופנית מורכבים עם שתי הפסגות טוב ניתן להבחנה: שיא בוקר (ז) מתחיל בסוף הלילה, יש לכל היותר כאשר תדליק אורות; שיא הערב (E) מתחיל בסוף היום, יש לכל היותר כאשר האורות מכבה6. מעניין, צורת הקלטה התנהגות כזו שונה מאוד תנודות sinusoidal פשוט שנצפו ברמה המולקולרית, מציעה את הפעולה של מנגנונים נוספים לתרום הדפוסים שנצפו טמפורלית. כדי להבין טוב יותר מנגנונים אלה מוסתרים, פיתחנו כלי חישובית המספק תיאור כמותי של הדפוסים טמפורלית.
בעבודתנו, מקצבים גינקולוגיות הוגדרו waveform המחקה פעילות לטוס התבנית. מאז גלי סינוס פשוטים לא יכול לשמש מודל את שינויי קצבית בפעילות, בדקנו צורות שונות אות כדי לבחור את אחד הפשוטים הלוכד את כל התכונות הבולטות ראיתי בהקלטות. זבוב הפירות היממה התנהגות נשלטת על ידי הפעילות של הנוירונים שעון לעיתים קרובות בעלי דפוסי מעריכית של הפעלה, ביטול הפעלה של7. דינמיקה מעריכי וניתוח החזותית של הנתונים שהניעו אותנו לבנות מודל עם תנאי מעריכי המורכב המעריכים ארבע עם תשעה פרמטרים עצמאיים, מקרוב הדומה פעילות לטוס התבנית8. בנוסף נתונים גינקולוגיות, אנחנו מנתחים גם ספקטרום ההספק שלו. ספקטרום אופייני פעילות לטוס מציג מספר פסגות הרמוניות T0/2, T0/3, וכדומה, בנוסף הפסגה היסוד צפויה תקופה בחברת T0. על-פי המשפט פורייה, רק גל סינוס טהור מייצרת לשיא יחיד של כוח ספקטרה, בעוד ואת מורכבות יותר מציגים מספר פסגות הספקטרלי ב הרמוניות של תקופת ראשית (איור 1). לכן, לאור הדפוס הטמפורלי-sinusoidal פעילות לטוס8, קשת כוח רב מגיעות לשיא של הנתונים צפוי מבחינה מתמטית, אינה בהכרח מעידה על הנוכחות של תקופות מרובות של תנודה. חשוב, ספקטרום ההספק של המודל המוצע waveform גם מראה פסגות-כל הרמוניות של התקופה העיקרית, הדומה ההקלטות גינקולוגיות לעוף, ובכך המלמד על אמינות גבוהה שבה מתאר המודל שלנו לטוס נתונים הן בזמן והן תדר.
ברזולוציות זמן של כמה דקות או פחות, פעילות לטוס מופיע נתונים רועש, ולכן קשה לחלץ פרמטרים ישירות מתוך הנתונים הגולמיים. הנתונים binning למרווחי זמן ארוך יותר יכול להקטין את רמת הרעש, אך, באפשרותך לשנות את הנתונים בדרכים אשר יכולים להשפיע על ההערכה של מודל פרמטרים. אנחנו לכן להשיג את הפרמטרים של כוח ספקטרום של ההקלטות, תוך שימוש בביטוי אנליטי עבור ספקטרום האנרגיה הצפויה שמחושבים התמרת פורייה של פונקציה דגם8 (ראה קובץ נוסף 1 של הפניה8). גישה זו של השגת פרמטרים של ספקטרום כוח התשואות ערכי פרמטר מדויק ללא שום מניפולציות נוספות, כגון binning או הסינון, הנתונים הגולמיים פעילות. פרטי מתמטית המודל ואת היישומים פראי-סוג של מוטציה נתונים מתוארים הפניה8. הפרוטוקול הציג כאן מתמקדת על ההוראות צעד אחר צעד כדי להשתמש בכלי חישובית.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מציגה הוראות השימוש חישובית כלי המספק תיאור כמותי של גפיים לטוס התבנית. הכלי מתאים ומכניקה נתונים עם מודל מתמטי המורכב של ארבעה תנאים מעריכי המתארים יחד לצורה ולגודל של הפסגות מ’ ו- E. הערכים הסופיים עבור הפרמטרים דגם מתקבלים מן הולם ספקטרום כוח של הנתונים, שבו השימוש של הנתונים הג?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים על סטניסלב Lazopulo לעזרה עם תוכן וידאו.
Materials
| Drosophila Activity Monitor | TriKinetics | DAM2, DAM5 | Measures fly locootion using single infrared beam |
| MatLab | Mathworks | Computing environment and programming language, MatLab should include Optimization and Symbolic Math toolboxes | |
| Drosophila melanogaster | per[S], per[L], iso31(wild type) | Our analysis can be performed with fly mutants of any circadian period |
References
- Pittendrigh, C. S. Circadian systems: general perspective. Biological Rhythms. II, 57-80 (1981).
- Zhang, E. E., Kay, S. A. Clocks not winding down: unravelling circadian networks. Nat Rev Mol Cell Biol. 11 (11), 764-776 (2010).
- Tataroglu, O., Emery, P. The molecular ticks of the Drosophila circadian clock. Curr Opin Insect Sci. 7, 51-57 (2015).
- Plautz, J. D., et al. Quantitative analysis of Drosophila period gene transcription in living animals. J Biol Rhythms. 12 (3), 204-217 (1997).
- Chiu, J. C., Low, K. H., Pike, D. H., Yildirim, E., Edery, I. Assaying locomotor activity to study circadian rhythms and sleep parameters in Drosophila. J Vis Exp. (43), e2157 (2010).
- Helfrich-Förster, C. Differential control of morning and evening components in the activity rhythm of Drosophila melanogaster–sex-specific differences suggest a different quality of activity. J Biol Rhythms. 15 (2), 135-154 (2000).
- Dautzenberg, F. M., Neysari, S. Irreversible binding kinetics of neuropeptide Y ligands to Y2 but not to Y1 and Y5 receptors. Pharmacology. 75 (1), 21-29 (2005).
- Lazopulo, A., Syed, S. A mathematical model provides mechanistic links to temporal patterns in Drosophila daily activity. BMC Neuroscience. 17 (1), 14 (2016).
- Donelson, N., Kim, E. Z., Slawson, J. B., Vecsey, C. G., Huber, R., Griffith, L. C. High-resolution positional tracking for long-term analysis of Drosophila sleep and locomotion using the "tracker" program. PloS ONE. 7 (5), e37250 (2012).
- Schlichting, M., et al. A Neural Network Underlying Circadian Entrainment and Photoperiodic Adjustment of Sleep and Activity in Drosophila. J Neurosci. 36 (35), 9084-9096 (2016).
- Guo, F., et al. Circadian neuron feedback controls the Drosophila sleep-activity profile. Nature. 536 (7616), 292-297 (2016).
